變頻控制技術在煤礦主通風機上的應用

0 引言

主通風機是煤礦四大固定設備之一，素有“礦井肺腑之稱”，它擔負著向井下輸送新鮮空氣，排出粉塵和污濁氣流，確保礦井安全生產的重任[1]。近年來，隨著國家對煤礦安全與經濟效益的日益重視，煤礦機電設備的運行控制和自動化管理顯得尤為重要，因此，加強通風管理，防止安全事故發生，提高風機運行效率，確保其安全、經濟、高效運行已勢在必行。

陜西省某煤礦原通風監控系統存在以下問題：系統過于簡單、風機耗電量大、部分關鍵參數監測精度較低、監測內容不全面、未與調度中心信息系統集成。經過多年運行，部分設備老化，多數儀表損壞，監控系統處于半癱瘓狀態，已經構成了嚴重的安全隱患。因此，必須對原有系統進行全面改造，建立完善、合理的監控系統，以改變該礦落后的管理局面，提高礦井通風設備自動化和科學化管理水平。

1 變頻控制系統組成

為了適應礦井發展，滿足通風網絡變化的要求，通風機及其拖動電機在設計選型時都有一定余量，形成“大馬拉小車”的不經濟運行現象。煤礦主通風機傳統的控制方式是風機全速運行，通過調節風葉安裝角度或風門開度調整所需風量，這種運行方式能耗大，約占煤礦能耗的15%~20%左右，并且調節不方便。采用變頻調速技術，可以根據礦井生產需求調整電機轉速來調節風量，既節約大量電能，又減少機械和風的噪音。

根據《煤炭安全規程》第四百四十二條規定[2]，主通風系統高壓兩回路10kV電源引自地面變電所不同的兩段母線上，通過架空線路接至主通風變電所高壓室，高壓母線為單母線分段結構，兩條高壓進線互為備用，安裝自投裝置，確保供電安全。高壓室設有7臺高壓柜。低壓母線也為單母線分段，設有進線柜兩個、母線聯絡柜一個，四個變頻柜分別控制兩臺對旋風機的四臺電機，兩個低壓配電柜為風門絞車供電，系統控制柜一個。變頻器選用日立變頻器SJ700系列。日立SJ700變頻器特別適合煤礦風機使用，具有如下優點：

1)實現了0.3 Hz時200%以上高啟動轉矩，保證風機特殊情況下的正常啟動;

2)具有變頻器跳閘抑制功能，過電流抑制功能、過電壓抑制功能，根據負載調整所需的加速時間和減速時間，減少了跳閘的發生，提高了風機運行的安全性;

3)通過可編程序運行功能，實現簡易順序控制功能，內置簡易程序運轉最大可達512步，可以簡化上位裝置和周邊回路，節約了控制柜空間、降低了成本，提高了變頻控制柜可靠性;

4)采用冷卻風扇、平滑電容等長壽命部件，設計壽命達到10年，并具有壽命診斷功能，可以發出預告信號，提示在這些部件發生故障前對其進行更換，提高了變頻器的可靠性;

5)安裝標準的EMC噪音濾波器，降低了諧波和變頻器噪音;

6)專利微浪涌電壓抑制功能，即使和電機之間接線距離很長，也能抑制端子電壓的變動，保護風機電機的絕緣;

7)一個按鈕即可實現變頻器的緊急切斷，不通過變頻器的CPU，通過硬件就可以切斷輸出，從而實現高可靠性緊急切斷，保證應急停風機的要求;

8)變頻器內部基板三防涂層處理及銅條的鍍鎳處理，提高了變頻器環境適應性，適合煤礦應用環境。主通風變電所一次系統如圖1所示。

2 監控系統組成

礦井主通風機自動監控系統以PLC 為核心，主要由信號監測裝置、傳感(變送)器、PLC、通信裝置、上位機及其它設備組成，可分為風機變電站監控系統和風機風速、負壓、振動、風機電機溫度監控系統，如圖2所示。

PLC 選用Sienens S7-300 系列PLC，硬件結構如圖3所示，主要由電源、CPU、數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、通信單元等模塊組成。

觸摸屏采用WEINVIEWMT508T 觸摸屏，通過MT5-S7300 通信電纜與PLC 連接，采用MPI 協議完成通信。觸摸屏動態顯示系統整體運行狀態。

S7-300 通過工業以太網通信模塊CP343 連接到上位工控機或礦統調系統，實現監測參數的實時顯示，并將監測參數存儲到數據庫中;同時以數據、趨勢圖及報表等多種方式實現風機運行參數監測結果的再現。根據設定的起始時間點，實現分、時、日和選擇變量形式，以時間間隔和變量數據等方式查詢、打印報表，完成性能測試，自動生成性能測試報告，通風機性能曲線等。

2.1 變電站監控系統組成

變電站監控系統高壓部分采用廈門工控生產的微機保護單元，該單元可就地顯示相電壓、線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等參數，可通過RS485

接口使用MODBUS-RTU 協議與PLC 通信模塊CP341連接。